“”減肥瘦身”不是夢(mèng)，電動(dòng)汽車設(shè)計(jì)越來越簡(jiǎn)化

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目前,電動(dòng)汽車電池行業(yè)五分之二的頂級(jí)公司在中國,國內(nèi)各種電動(dòng)汽車保有量已超過400萬臺(tái);更有預(yù)測(cè)說:到2030年,中國將占全球電動(dòng)汽車(EV)電池價(jià)值鏈的三分之二。這說明什么?電動(dòng)汽車已經(jīng)成為一種趨勢(shì),但是,其續(xù)航里程仍是消費(fèi)者最關(guān)心的問題之一,也是主機(jī)廠改善消費(fèi)體驗(yàn),從而打動(dòng)用戶的重要賣點(diǎn),特別是充電時(shí)間。

另外,由于先進(jìn)駕駛員輔助系統(tǒng)(ADAS)和信息娛樂和功能控制系統(tǒng)等新功能的不斷增加,使車輛整體能耗越來越大。因此,必須利用更先進(jìn)的半導(dǎo)體技術(shù)提升能量密度、充電效率和可靠性,同時(shí)減小體積和重量,讓電動(dòng)汽車跑得更遠(yuǎn),與燃油汽車有相同的充電體驗(yàn)和續(xù)航里程。這就是近來人們聽到的:汽車越智能,就越需要GaN(氮化鎵)。

“減重瘦身”勢(shì)在必行

目前,電動(dòng)汽車動(dòng)力電池雖然已經(jīng)取得了長(zhǎng)足進(jìn)步,但是,電池續(xù)航能力仍然是制約電動(dòng)汽車持續(xù)快速發(fā)展的重大瓶頸之一,而過大的車重更是阻礙了續(xù)航里程的進(jìn)一步提升。根據(jù)國創(chuàng)中心的一項(xiàng)研究,對(duì)比國外同類產(chǎn)品,我國電動(dòng)汽車普遍偏重。

我國電動(dòng)汽車比國外同級(jí)車偏重比

致力于汽車智能化和輕量化產(chǎn)品研發(fā)和制造的保隆科技副總裁、汽車金屬管件單元總監(jiān)陳洪泉對(duì)此深有感觸。他表示,應(yīng)用輕量化零部件對(duì)電動(dòng)汽車?yán)m(xù)航里程的提升有明顯效果。有研究表明,純電動(dòng)汽車重量每降低10kg,續(xù)航里程可增加2．5km。

他認(rèn)為,輕量化是續(xù)航里程提升的基石,對(duì)于新能源車企而言,采用輕量化零部件對(duì)整車“減重瘦身”后,除了有效緩解車主里程焦慮,還能提升汽車的操控性能。

他說:“隨著消費(fèi)升級(jí),消費(fèi)者對(duì)于汽車的要求已經(jīng)不再是簡(jiǎn)單的‘能開就行’,而是對(duì)汽車提出了更高的要求。輕量化可以帶來加速和制動(dòng)方面的性能提升,進(jìn)一步滿足消費(fèi)者的購車新需求,更有望獲得政府補(bǔ)貼。還有一點(diǎn)不容忽視,由于電池重量在車中占比較大,輕量化還有助于車企設(shè)計(jì)車輛時(shí)將更多重量分配給電池,從而進(jìn)一步提升續(xù)航里程?！?/p>

當(dāng)然,整車的減重瘦身不可能一蹴而就,必須從最基本的零部件做起,尤其是電子部件越來越多的電動(dòng)汽車,提高功率密度、減少元器件用量都可以為輕量化做出貢獻(xiàn)。

GaN之于汽車又有突破

在電子技術(shù)的推動(dòng)下,汽車工業(yè)在許多方面正在經(jīng)歷一場(chǎng)復(fù)興。其首要目標(biāo)是更安全的汽車、更好的駕乘體驗(yàn)、更高的能效和更低的擁有成本。
GaN是一種采用顛覆性工藝技術(shù)的第三代半導(dǎo)體,其物理性能比硅穩(wěn)定得多,帶隙寬,具有耐高溫性和較好的導(dǎo)熱性。它是有助于從內(nèi)燃機(jī)向電動(dòng)汽車和智能汽車轉(zhuǎn)變的不可多得的選擇。通常采用的技術(shù)是成熟的硅基GaN(GaN-on-Si),它可以使系統(tǒng)變得更小、更輕、更高效、總體系統(tǒng)成本更低。

最近,GaN已突破了600V耐壓的臨界點(diǎn),走向了車規(guī)功率應(yīng)用,隨著技術(shù)的發(fā)展,GaN已經(jīng)提前進(jìn)入了汽車應(yīng)用市場(chǎng)。

GaN已經(jīng)提前進(jìn)入汽車應(yīng)用市場(chǎng)

電動(dòng)汽車要想實(shí)用,就必須縮小組件的尺寸,把重量減到最小,因?yàn)槊恳还镏亓慷紩?huì)減少有效載荷,縮短續(xù)航里程。
那么,GaN是如何增加能量密度和系統(tǒng)效率,提高電動(dòng)汽車?yán)m(xù)航能力呢?將相同尺寸組件的功率輸出加倍可大量節(jié)約成本,還有助于快速充電。這可以通過在高頻率下控制車載充電器(OBC)或快速DC充電器中的PFC(功率因數(shù)校正)級(jí)和DC-DC功率轉(zhuǎn)換器的開關(guān)來實(shí)現(xiàn)。這樣做還減小了磁性元件尺寸,有助于實(shí)現(xiàn)高功率密度。對(duì)于給定應(yīng)用,更高的系統(tǒng)效率可帶來更低損耗和使用更小的散熱器方案,還可降低器件上的熱應(yīng)力,有助于延長(zhǎng)使用壽命。在越來越擁擠的汽車中,面積、體積和重量都意味著成本!當(dāng)然,還必須提高可靠性,防止自燃事故的發(fā)生。

欲復(fù)制功率MOSFET的成功

現(xiàn)在功率MOSFET已在汽車中廣泛應(yīng)用,其導(dǎo)入汽車之初與今天的GaN如出一轍。EPC公司CEO兼共同創(chuàng)始人Alex Lidow博士回憶道:“44年前,當(dāng)我第一次開發(fā)功率器件時(shí),還是使用硅功率雙極晶體管?！?978年,他的國際整流器公司(IR,2015年被英飛凌收購)推出了功率MOSFET,作為一種更快開關(guān)速度的替代品,它取代了較慢和老化的雙極器件。功率MOSFET的早期采用者是臺(tái)式計(jì)算機(jī)開關(guān)電源,先是蘋果,然后是IBM。

他說,直到20世紀(jì)80年代中期,功率MOSFET的量產(chǎn)才使功率MOSFET的成本與雙極晶體管相當(dāng)。那時(shí),IR發(fā)起了替代雙極晶體管的進(jìn)攻,目標(biāo)是占據(jù)雙極晶體管市場(chǎng)最大份額的摩托羅拉。摩托羅拉回應(yīng):MOSFET存在可靠性、高價(jià)格和不可靠的供應(yīng)鏈等問題。這和今天的第三代半導(dǎo)體GaN相仿。

盡管如此,功率MOSFET仍然在雙極晶體管占主導(dǎo)地位的應(yīng)用中獲得了認(rèn)可。摩托羅拉認(rèn)識(shí)到這項(xiàng)新技術(shù)的優(yōu)勢(shì),也推出了功率MOSFET,并承諾:兩項(xiàng)技術(shù)“我們都做,所以從我們這里購買最好”。問題是,它沒有做出最好的功率MOSFET,最終輸?shù)袅税雽?dǎo)體材料之爭(zhēng)。

此時(shí)此刻,GaN正在挑戰(zhàn)功率MOSFET的霸主地位。GaN晶體管開關(guān)比MOSFET快10倍,比IGBT快100倍。GaN正在復(fù)制功率MOSFET的成功歷史!

電氣化改變汽車,GaN改變?cè)O(shè)計(jì)

市場(chǎng)研究機(jī)構(gòu)Strategy Analytics的動(dòng)力總成、車身、底盤和安全服務(wù)總監(jiān)Asif Anwar表示:“GaN等寬帶隙半導(dǎo)體技術(shù)無疑為汽車電力電子設(shè)備(尤其是高壓系統(tǒng))帶來了更穩(wěn)定的性能。而硅基氮化鎵器件的生產(chǎn)、封裝與優(yōu)化的硅基驅(qū)動(dòng)器技術(shù)結(jié)合,將使之更快導(dǎo)入汽車應(yīng)用。”

電氣化正在改變汽車行業(yè),而GaN正在改變工程師設(shè)計(jì)汽車的方式。他們需要在不影響汽車性能的同時(shí),設(shè)計(jì)出更緊湊、輕便的汽車系統(tǒng)。與現(xiàn)有的硅或同屬第三代半導(dǎo)體碳化硅(SiC)解決方案相比,使用新型車用GaN FET(氮化鎵場(chǎng)效應(yīng)管)可將車載OBC和DC-DC轉(zhuǎn)換器的尺寸減少多達(dá)50%,使工程師能夠延長(zhǎng)電池續(xù)航時(shí)間,提高系統(tǒng)可靠性,并降低設(shè)計(jì)成本。

在汽車設(shè)計(jì)中,這些新器件還可在更低功耗和占用更小電路板空間的情況下,實(shí)現(xiàn)更高的效率和功率密度。

GaN的特性決定了其最佳的性能、效率和可靠性,比一流的SJ MOSFET還要出色;它本身就少一個(gè)體二極管,開關(guān)速度比硅解決方案更快更高效。無論是提高系統(tǒng)功率密度,還是開關(guān)頻率,GaN都可以縮小設(shè)計(jì)尺寸,降低設(shè)計(jì)重量和成本。

GaN與SJ MOSFET(SuperJunction,超級(jí)結(jié))、硅的綜合性能比較

此外,它還可以通過降低開關(guān)損耗、導(dǎo)通損耗,同時(shí)消除逆向恢復(fù)損耗來提高能效?？傊?工程師可以獲得三個(gè)方面優(yōu)勢(shì):易于設(shè)計(jì)、高效和高可靠性的解決方案。

如何做到呢?

德州儀器(TI)高壓電源解決方案副總裁Steve Lambouses表示:“汽車應(yīng)用越來越需要在更小的空間內(nèi)提供更多的電力,設(shè)計(jì)人員必須提供能在汽車長(zhǎng)久生命周期內(nèi)可靠運(yùn)行的電源管理系統(tǒng)。憑借超過4000萬小時(shí)的器件可靠性測(cè)試和超過5GWh的功率轉(zhuǎn)換應(yīng)用測(cè)試,我們的GaN技術(shù)已能夠?yàn)楣こ處熖峁M足市場(chǎng)需求的可靠的全生命周期保障?！?/p>

來看看這顆可以幫助工程師實(shí)現(xiàn)OBC兩倍功率密度和更高效率的器件LMG3525R030-Q1。

功率密度、效率和體積都要兼顧

與現(xiàn)有解決方案相比,這款帶集成驅(qū)動(dòng)器、內(nèi)部保護(hù)和有源電源管理的車用GaN FET采用快速開關(guān)的2．2 MHz集成柵極驅(qū)動(dòng)器,可幫助工程師提供兩倍的功率密度和高達(dá)99%的效率,并將電源磁性器件的尺寸減小59%。與碳化硅(SiC)等同類襯底材料相比,利用GaN材料和在硅基氮化鎵襯底上的加工工藝開發(fā)的新型FET更具成本和供應(yīng)鏈優(yōu)勢(shì)。

歸納起來,新的解決方案優(yōu)勢(shì)有三:

1．以更少器件實(shí)現(xiàn)翻倍功率密度

在電動(dòng)汽車等高電壓、高密度應(yīng)用中,電路板空間最小化是設(shè)計(jì)中的重要目標(biāo)。隨著電子系統(tǒng)變得越來越小,其內(nèi)部組件也必須不斷縮小并更加緊湊。新型GaN FET集成了快速開關(guān)驅(qū)動(dòng)器以及內(nèi)部保護(hù)和溫度感應(yīng)功能,使工程師能夠在電源管理設(shè)計(jì)中減小電路板尺寸、降低功耗的同時(shí)實(shí)現(xiàn)高性能。這種集成再加上TI GaN技術(shù)的高功率密度,使工程師能夠?qū)⒎至⒔鉀Q方案的組件減少10多個(gè)。此外,在半橋配置中應(yīng)用時(shí),每個(gè)新型30mΩ FET均可支持高達(dá)4 kW的功率轉(zhuǎn)換。

2．降低固件復(fù)雜性,縮短開發(fā)時(shí)間

過去,要獲得快速開關(guān)性能,就會(huì)有更高的功率損耗。為了避免這種不利后果,新型GaN FET采用了智能死區(qū)自適應(yīng)功能,以減少功率損耗。例如,在PFC中,與分立式GaN和SiC MOSFET相比,該功能可將第三象限損耗降低多達(dá)66%,同時(shí)無需控制自適應(yīng)死區(qū)時(shí)間,從而降低了固件復(fù)雜性和開發(fā)時(shí)間。

3．更大限度提高熱性能

采用TI GaN FET的封裝產(chǎn)品,其熱阻抗比性能最接近的同類產(chǎn)品低23%,因此,工程師可以使用更小的散熱器,同時(shí)簡(jiǎn)化散熱設(shè)計(jì)。無論應(yīng)用場(chǎng)景如何,這些新器件均可提供更大的散熱設(shè)計(jì)靈活性,并可選擇底部或頂部冷卻封裝。

此外,FET集成的數(shù)字溫度報(bào)告功能還可實(shí)現(xiàn)有源電源管理,使工程師能在多變的負(fù)載和工作條件下優(yōu)化系統(tǒng)的熱性能。

德州儀器高壓電源應(yīng)用產(chǎn)品業(yè)務(wù)部氮化鎵功率器件產(chǎn)品線經(jīng)理Steve Tom在展示產(chǎn)品時(shí)說,由兩個(gè)LMG3525 30mΩ GaN FET組成的LMG3525R030-Q1 650V車用GaN FET評(píng)估板,使用半橋配置了所有必需的偏置電路和邏輯/功率電平轉(zhuǎn)換功能,通過插座可輕松與外部功率級(jí)連接。采用散熱板時(shí),轉(zhuǎn)換功率高達(dá)5000W,如果使用液體冷卻,轉(zhuǎn)換功率可提升至6000-7000W。

650V車用GaN FET評(píng)估板

他最后總結(jié)說:“TI GAN通過集成FET、高速柵極驅(qū)動(dòng)器及保護(hù)功能簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì),節(jié)省組件數(shù)量和布板時(shí)間。不僅簡(jiǎn)化了布局,還極大地降低了電感尺寸,并改進(jìn)了GAN開關(guān),最低限度減少了振鈴,提高了效率。還能確保設(shè)計(jì)具有出色的可靠性,延長(zhǎng)器件壽命。通過內(nèi)置的高速、過流和過溫功能,可以保護(hù)系統(tǒng)中的GAN器件,防止發(fā)生擊穿。”

高功率GaN還是藍(lán)海市場(chǎng)

目前,很多廠商在推廣SiC技術(shù),也有一些廠商卻與GaN結(jié)下了不解之緣,他們?cè)谂ψ屢言谥髁飨M(fèi)市場(chǎng)(手機(jī)快充)應(yīng)用的功率GaN超越SiC,圍繞汽車等高功率應(yīng)用的爭(zhēng)奪已悄然展開。

不過,GaN是一個(gè)全新的技術(shù),其應(yīng)用還是藍(lán)海市場(chǎng),市場(chǎng)需要這樣的先驅(qū)者。